植入式腦機接口的鋒電位點進程估計和動態解析

《植入式腦機接口的鋒電位點進程估計和動態解析》是依託浙江大學，由王怡雯擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：植入式腦機接口的鋒電位點進程估計和動態解析
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：王怡雯
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

植入式腦機接口在大腦運動皮層採集的神經集群鋒電位信號，信息量大、時空解析度高，為實現腦與外界的實時準確控制提供了良好的信號來源。鋒電位為點進程信號，僅區別於信號產生的時間不同，信號幅值形狀相似。傳統腦機接口算法無法直接解析鋒電位信號，轉而處理單位時間視窗內的神經元發放率，忽略了鋒電位信號中可能包含的豐富的神經動力學信息,限制腦機接口對神經信號的精確建模。本項目以非人靈長類（猴）動物的運動神經皮層上採集的鋒電位信號群為處理對象，使用點進程估計對鋒電位信號進行機率建模。研究從運動參數到鋒信號序列的神經元編碼模型， 以及由鋒電位序列動態解析運動軌跡的解碼算法。在編碼模型上引入神經科學已證實的神經元發放偏好性質進行統計建模，使用資訊理論的概念評價模型捕捉的信息量。探索神經元發放偏好函式隨時間變化的規律。在解碼算法中，有效融入已獲取的時變偏好函式模型知識，初步實現從鋒電位到運動軌跡的動態機率解析。

結題摘要

植入式腦機接口在大腦運動皮層採集的神經集群鋒電位信號，信息量大、時空解析度高，為實現腦與外界 的實時準確控制提供了良好的信號來源。神經元的動作電位（鋒電位）包含了豐富的神經動力學信息,為 腦機接口對神經信號的精確建模提供了可能性。本項目在以嚙齒類以及非人靈長類（猴）動物為對象的植入式腦機接口平台上成功採集了運動神經 皮層的神經集群鋒電位信號。建立了從聯合運動參數（位置、速度和加速度）到鋒信號序列的神經元的線性－非線性－泊松編碼模型，涵蓋了神經 元發放偏好方向以及神經元非線性的特徵，比常用的線性和指數增長模型更為準確的捕捉了神經元的編碼特性。本項目使用資訊理論中的互信息概念 量化評價神經元鋒電位發放和運動任務之間的關係，從而選出和運動任務最為相關的重要神經元，選出的重要神經元集群可以保持和採集的所有神 經元集群相近的解碼性能。通過互信息隨時間的變化，定量表述神經元的時變特徵，發現三類重要神經元，一類的重要性隨時間增長而衰減，一類 神經元重要性隨時間增長而增強，還有一類神經元重要性基本保持不變。在以上精確編碼模型研究的基礎上，本項目使用泊松過程對鋒電位進行點 過程的機率建模，通過運動的狀態方程和線性－非線性－泊松的編碼觀測方程聯合，使用基於的蒙特卡羅算法對多天的聯合運動參數進行神經解 碼，這樣的非線性方法可以精確的從神經鋒電位信號重建運動軌跡，在我們的數據上估計值與真實軌跡的平均相關值達到80%左右。